大冰期的成因探讨

大冰期的成因探讨

大冰期的成因，有各种不同说法，但许多研究者认为可能与太阳系在银河系的运行周期有关。有的认为太阳运行到近银心点区段时的光度最小，使行星变冷而形成地球上的大冰期；有的认为银河系中物质分布不均，太阳通过星际物质密度较大的地段时，降低了太阳的辐射能量而形成地球上的大冰期。
“冰川是气候的产物”，这是冰川学界的流行说法。那么，气候又是什么的产物呢？笔者的说法是“气候变化是地球系统的变化在大气圈中的反映”。冰冻圈是地球系统的一部分，所以我们可以说“气候的一部分是冰川的产物”。当然，气候的主要部分应该是地圈（包括壳、幔、核）的产物，因为地圈占地球系统总质量的99.9%。冰川与气候的关系紧密，它们同时受地圈变化的制约，我们甚至可以说“冰川和气候同是地圈变化的产物”。地圈的变化又受宇宙因素的制约，笔者经过长期研究，提出如下观点：宇宙磁场与地核磁流体的电磁耦合作用，可能是地球表层各系统变化的根本原因，也是冰川与气候变化的根本原因。
原始太阳系约诞生于50亿年前，如果以最靠近银心点为新银河年的开始，太阳已经过了十三个新年，我们的地球也过了十二个新银河年，虚岁为13银河岁。过新银河年前的阶段也许是地球最为冰冷的，也是银河冬季（地球大冰期）中最冷的，太阳系很快又要过新年了，时间约在800万±400万年以后，相对于漫长的银河年来说现在约到了“12月20”。
近十亿年以来，太阳系的银河年变短得很厉害，一些研究者按照太阳系的飞行速度，得到太阳系绕银河运转一周需要的时间约为2.5亿年，与Stainer给出各银河年的时间间隔并不矛盾。近银心点附近为地球的银河冬季，有望由此来破解远古时期大冰期的发生情况。
太阳系的飞行速度越来越快，绕银河系运行的周期越来越短，也许不再需十几个银河年，太阳系就不再留在银河旋臂里而跑到了离银河中心更近的区域，那时太阳跑得更加飞快，地球的自转速度要比现在的金星和水星还要慢，一年也许只有几十或十几天。
现在太阳系正在近银心点附近运行，大约尚需800±400万年才到达最靠近银河中心的地方，根据上二次大冰期结束于近银心点之后的500至1000万年，第四纪大冰期（叫“新生代大冰期”更合适）若从其规模的1600万前始算，推测大冰期至少还要经历1500-2500万年才结束，主冰期长在3000-4000万年以上，而石炭-二叠纪大冰期长约8000万年，震旦纪大冰期长约6000万年。有人说第四纪大冰期即将过去而第五纪大冰期将来临简直是无稽之谈；说由于人类温室气体的排放，全球的冰川和极地的大冰盖将会全部融化也是杞人忧天，人类的小胳膊怎能与大自然的铁大腿抗扭。
大冰期与银地磁耦合
在地球的46亿年历史中，一般公认曾出现过7次大冰期，关于其成因很多学者提出多种假说，但均不能令人信服。最近笔者提出：当银河系旋臂磁极与地球磁极同向，且相互作用时间在40Ma以上者，将出现大冰期。
地磁极性的倒转存在着3亿年的长周期。一个银河年的长度从20亿年前的4亿年逐渐缩短，到最近一个银河年其时间长度仅约2亿年。现在太阳系正经过银河系的一个旋臂，其磁极方向为正（与现代地磁极相同）。将银河系两个旋臂（它们的磁极性刚好相反）经过地球的时间与地磁场倒转的时间标在图1上，可见当银河旋臂与地磁极性方向相同，且同号时间维持在40Ma以上者。近40亿年来共出现过8次（表1）。其中最近7次刚好对应着7次大冰期。
表1 银地（磁）耦合C型与大冰期出现时间对照（单位：亿年）
41.2 39.7 38.2 36.7 35.2 33.7 32.2 30.7 29.2 27.7 26.2 24.7 23.2 21.7 20.2 100Ma前
⒛2 18.7 17.2 15.7 14.2 12.7 11.2 9.7 8.2 6.7 5.2 3.7 2.2 0.7 0 100Ma前
众所周知，大冰期总是与造山运动相伴出现，这有其必然性。因为地势平坦时，大气热机效率很低，使得行星风系很弱，极——赤温差很小，不会形成大冰期；只有当造山运动使地势变得不平坦时，大气热机效率才会大提高，使行星风系大增强，极地大降温，才能形成大冰期。第四纪大冰期是与青藏高原隆升紧密相伴的。造山运动的构造营升力来自于地核环流转变为“强对流型”，而银河旋臂与地磁极同向且相互作用时间在40Ma以上，是使地核环流被激发为“强对流型”的必要条件。
青藏高原的隆升与第四纪大冰期的形成是说明上述观点的一个典型个例44.57MaBP，地球磁极开始转为正向，它与银河系的正极旋臂即开始相互作用，使地核环流从“准地转型”开始向“强对流型”过渡，青藏高原开始抬升，随着地磁极性倒转为负极，高原抬升运动停止，变为夷平运动。如此在45Ma的时间内经历多次反复2.5MaBP青藏高原被抬升至2000m左右的高度，高原季风大转型，才开始出现第四纪大冰期。
冰期与地磁强度变化
冰期、间冰期为105a的旋回，比大冰期短3个量级，一般认为它是米氏周期的结果，但有很多问题用米氏理论解释不通，如近73万年来青藏高原被公认为有3次冰期，即末次冰期（1～7万年前）、倒数第二次冰期（13～30万年）和倒数第三次冰期（50～72万年），其时间间隔远超过10万年，用米氏理论不好解释。事实上，地球轨道的三要素的综合可使极地的太阳辐射量变化达20%～30%，但使中纬地区的变化量却小于5%，因此笔者认为关于青藏高原冰期的成因应另寻解释。用地磁场的变化或许是一种更合理的解释。“倒三冰期”是青藏高原隆升的冻结高度时，所必然出现的一次“最大冰期”。从Kukla(1987年）给出的西峰磁化率曲线可知，1～7万年前和22～35万年前为两个磁化率低值时段，它们基本上与末次冰期和倒数第二次冰期相吻合；而8～13万年和48～55万年为磁化率高值时段，它们又与间冰期基本相合。再从王苏民等（1996年）给出的若尔盖剖面的结果可见，2～5万年之间出现过4次磁极性漂移（极漂），16～26万年之间亦出现过5次极漂，而5～16万年之间仅出现过1次极漂，极漂事件频繁的两个时段，恰好对应着两次冰期；极漂事件很少之时，则对应着间冰期。这亦表明：地磁弱时易出现冰期，地磁强时易出现间冰期。这一结论似乎与上一节的结论有矛盾，其实并不矛盾，形成大冰期的直接原因是地形隆起，它要求磁场强，且相互作用时间较长；对冰期，甚至小冰期和冰川波动，因时间尺度较短，地形的升高已不是主要矛盾，它所要求的地地热释放较少，有利于降温，地磁弱时较容易满足这一条件。
小冰期与太阳磁场变化
15、17、19世纪亚欧大陆发生了三次明显的冰进，冰川学界称之为“小冰期”，它的时间尺度是102a，比冰期又短3个量级。这3次冰进刚好与3次太阳黑子极小期(19世纪极小）基本对应，其中出现在17世纪的Maunder极小期是2000多年来太阳黑子最少的一个时段。黑子少意味着太阳磁场弱，它与地磁场的耦合作用亦将变弱，致使冰期前进。小冰期是地球史上有名的灾害群发期（所谓“明清灾频期”），另一个“两汉灾频期”也是出现在太阳黑子的极小期中。大地震大旱魔在中国大地上接连逞凶。从冰芯记录中可知，在高山冰川区“小冰期”是一个低温、降水略多的时段，这与同期山外平原区是一个低温、干旱时段有所不同。这种差异似乎是大气中地形性热力环流调整的结果。
冰川波动与气候变化
冰川波动一般包括冰舌进退（其特征时间为101a）和冰川物质平衡，零平衡线高度变化（其特征时间为100a）等几项内容，它们均与短气候变化紧密相联。近40多年是各种地学资料最多的年代，可以进行较仔细的讨论。有些气候学家认为，在这段时间里出现过两次气候突变，一次在60年代中，一次在80年代初。或者说，可以将此40多年的气候分为三个时段。以下将60年代中至70年代末这一时段简称为70年代，重点讨论此时段的冰川与气候波动及其可能原因。
70年代是北半球的低温时段（南半球为高温时段），中国大部份地区是低温少雨时段，青藏高原积雪面积亦变小。可是由于地形性热力环流的调节，使高海拔区在该时段的降水反略有增加，于是前进冰川的比例大为增加。这一点与“小冰期”的情形颇为相似。
70年代是地球自转的慢段，是太阳黑子的相对低值时段，也是中国大陆地震多发的时段。这些特点均与“小冰期”相似。它们之间是否有什么共同的地球物理过程在其中起作用？这是值得地球科学家着力研究的问题。